主成分及聚類分析用于洽洽香瓜子的快速鑒別*

朱萌萌，沈旭，陳江琳，楊婷婷，侯如燕

1(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥，230036)2(合肥洽洽食品有限責(zé)任公司，安徽合肥，230036)

向日葵(Helianthus annulus L.)，菊科(Compositae)植物，為一年生草本，原產(chǎn)自美洲。在我國(guó)西北5省及內(nèi)蒙古、山西等地大量種植，成為重要的油料作物［1］?？献尤屎椭?8% ～32%，其中亞油酸含量高達(dá)65% ～74%，近代醫(yī)學(xué)證明，亞油酸有助于人體發(fā)育和生理調(diào)節(jié)［2］，此外，葵瓜子還富含蛋白質(zhì)、綠原酸、VE等［3］?？献邮侵袊?guó)傳統(tǒng)的休閑食品之一，其生產(chǎn)工藝也從傳統(tǒng)的炒制工藝向煮制與炒制結(jié)合工藝演變［4］，“煮制”葵瓜子在加工過(guò)程中加入不同種類適量的香辛料，經(jīng)百煮、炒干工藝形成了煮制香瓜子特有的香氣和口感。對(duì)揮發(fā)性油的提取方法主要有溶劑萃取法、固相微萃取法、超臨界CO2萃取法和同時(shí)蒸餾萃取法，而同時(shí)蒸餾萃取法因?qū)⑺魵庹麴s萃取和溶劑萃取法合二為一，縮短了分析時(shí)間，節(jié)省萃取溶劑［5］，在中草藥等材料揮發(fā)油萃取中使用廣泛。目前市場(chǎng)上葵瓜子品牌眾多，不同品牌的煮制香瓜子所呈現(xiàn)出的香氣組分也不相同。采用感官審評(píng)去區(qū)分不同品牌的香瓜子，受評(píng)價(jià)人員的主觀影響較大。近年來(lái)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法如主成分分析、聚類分析、因子分析等方法在樣品質(zhì)量控制、原料鑒別、產(chǎn)地鑒定等方面應(yīng)用廣泛并取得一定成果［6－12］，而未見(jiàn)采用化學(xué)聚類的方法區(qū)分不同品牌香瓜子的研究報(bào)道。

本文擬采用同時(shí)蒸餾萃取裝置萃取(SDE，simultaneous distillation and extraction)，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法(GC-MS)分析香瓜子中的呈香組份的組成，并利用主成分聚類分析方法，旨在探索利用香瓜子揮發(fā)性成分對(duì)不同品牌的香瓜子進(jìn)行化學(xué)鑒別的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器和試劑

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑

洽洽香瓜子樣品，由洽洽食品股份有限公司提供，其他品牌香瓜子，均購(gòu)于合肥市各大超市(見(jiàn)表1);香瓜子樣品處理(自動(dòng)脫殼機(jī)脫殼后分離出仁，待檢測(cè))。

無(wú)水乙醚(分析純);無(wú)水硫酸鈉(550℃，5 h活化處理);實(shí)驗(yàn)室用水均為二次水。

表1 不同品牌香瓜子Table 1 The different brands of aroma sunflower seeds

1.2 內(nèi)標(biāo)溶液的配置

癸酸乙酯(99.99%)作為內(nèi)標(biāo)，用無(wú)水乙醚做溶劑。準(zhǔn)確移取10 μL內(nèi)標(biāo)定容到10 mL容量瓶中，配成1 000 μg/mL 工作液。稀釋至100 μg/mL，放置于4℃冰箱保存。

1.3 儀器

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Agilent公司7890A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀，配G4513自動(dòng)進(jìn)樣器、7697A靜態(tài)頂空進(jìn)樣器、MSDChemstation工作站);同時(shí)蒸餾萃取裝置SDE(中國(guó)科技大學(xué)玻璃儀器廠定制);DC-12氮吹儀(上海安譜科學(xué)儀器有限公司)，自動(dòng)脫殼機(jī)(錦州俏牌實(shí)業(yè)有限公司)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 揮發(fā)性香氣組分的提取

采用SDE法提取葵瓜子揮發(fā)性香氣組分:準(zhǔn)確稱取香瓜子樣品20.0 g，放入1 000 mL圓底燒瓶中，加入癸酸乙酯(100 μg/mL 1 mL，內(nèi)標(biāo))和400 mL純水，將該燒瓶接入SDE裝置的一個(gè)接口，另一接口與裝有40 mL無(wú)水乙醚的三角錐形瓶相連。100℃同時(shí)蒸餾萃取2 h。萃取物轉(zhuǎn)移至10 g無(wú)水硫酸鈉的具塞試管中，靜置干燥12 h。氮吹至1 mL，得到樣品瓜子的精油，待進(jìn)樣。

2.2 色譜柱及程序升溫條件

色譜柱Agilent:HP-5毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣量 1 μL;分流比 10∶1;進(jìn)樣口溫度:250℃;載氣為高純度氦氣(He:99.999%);流速1 mL/min;2種方法采用相同的程序升溫條件:起始溫度60℃，保持1 min，以5℃/min升至100℃，保持1 min，再以2℃/min升至200℃，保持1 min，最后以10℃/min，升至250℃，保持7 min。

2.3 質(zhì)譜條件

電子轟擊(electron impact，EI)離子源;電子能量70 eV;離子源溫度200℃;四級(jí)桿溫度:280℃;質(zhì)量掃描范圍:40～400 amu。掃描方式:全掃描;溶劑延遲3 min。

3 結(jié)果與分析

3.1 瓜子精油的分離鑒定結(jié)果

瓜子精油經(jīng)氣相色譜程序升溫分離，四級(jí)桿質(zhì)譜采集樣品的總離子流圖(見(jiàn)圖1)，根據(jù)各色譜峰相應(yīng)的質(zhì)譜圖經(jīng)計(jì)算機(jī)譜庫(kù)檢索(取匹配度大于85的鑒定結(jié)果)并與相關(guān)文獻(xiàn)資料比對(duì)解析確定其組成成分的化學(xué)組成(見(jiàn)表1)。共分離鑒定出129種揮發(fā)性化合物，其中洽洽香瓜子共分離鑒定出79種揮發(fā)性化合物，阿里山牌香瓜子共分離鑒定出67種揮發(fā)性化合物，真心牌香瓜子共分離鑒定出69種揮發(fā)性化合物，天喔牌香瓜子共分離鑒定出69種揮發(fā)性化合物，恒康牌香瓜子共分離鑒定出46種揮發(fā)性化合物，來(lái)伊份牌香瓜子共分離鑒定出63種揮發(fā)性化合物，口水娃牌香瓜子共分離鑒定出53種揮發(fā)性成分。按化合物的結(jié)構(gòu)對(duì)分離鑒定出的這些化合物進(jìn)行分類總結(jié)，主要分為醛類、酮類、酯類、烯烴類、醚類、含硫含氮類、酚類、醇類和酸類化合物(見(jiàn)圖2)。洽洽、真心和口水娃香瓜子以酚類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比含量分別為:30.91%、47.47%和27.29%;阿里山和恒康以醛類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比為25.21%、39.84%;天喔、來(lái)伊份香瓜子以醚類和醛類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比分別是24.63% ～34.40%、25.68%～17.23%。洽洽香瓜子中發(fā)現(xiàn)而其它品牌香瓜子中未發(fā)現(xiàn)的揮發(fā)性化合物主要有2-甲基-2-戊烯醛、2-甲基吡咯、α-環(huán)己烯酮等13種。

3.2 主成分分析

僅依據(jù)上述化合物種類和相對(duì)含量判別不同品牌香瓜子之間的區(qū)別，只能從大量的數(shù)據(jù)中抽出具有顯著特征的成分進(jìn)行分析，具有一定的主觀性。而利用統(tǒng)計(jì)學(xué)主成分分析方法，可以客觀的對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸類。主成分分析(principal component analysis)也稱主分量分析，是由霍特林(Hotelling)于1933年首先提出的，它是利用降維的思想，在損失很少信息的前提下把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，從而更容易抓住主要矛盾，揭示事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律性，同時(shí)使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，提高分析效率［13－15］。本試驗(yàn)以洽洽香瓜子車間不同工藝的8個(gè)樣品和商售其他品牌的香瓜子揮發(fā)性成分構(gòu)成14×131的矩陣，利用SPSS19.0軟件進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。第一個(gè)主成分的特征根是36.083，解釋了總變異的29.820%;第二個(gè)主成分的特征根是18.847，解釋了總變異的15.576%。根據(jù)主成分個(gè)數(shù)確定原則，累積方差貢獻(xiàn)率在90%以上，特征值大于1的2個(gè)原則。前8個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到92.437%，基本保留原來(lái)變量的信息。故取前8個(gè)成分作為研究的主成分進(jìn)行不同品牌香瓜子進(jìn)行區(qū)分是可行的。

3.3 系統(tǒng)聚類分析

聚類分析作［11］為一種無(wú)管理模式的識(shí)別方法，所得結(jié)果很大程度上取決于方法所采用的距離、類間距等參數(shù)。在主成分分析的基礎(chǔ)上引入聚類分析，可排除眾多化學(xué)信息中相互重疊的部分而又不丟失原始數(shù)據(jù)信息［16］。對(duì)從洽洽香瓜子和其它品牌香瓜子中分離鑒定出的131種揮發(fā)性化合物先進(jìn)行主成分分析，將得到的累積方差貢獻(xiàn)率大于90%的前8種主成分作為新的變量，采用組間連接法和歐氏距離平方的度量標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行聚類分析。得到聚類分析的樹狀圖(見(jiàn)圖2)?？梢钥闯?，取類間距離d=15時(shí)，不同工藝生產(chǎn)的洽洽香瓜子聚為一類，真心牌香瓜子樣品單獨(dú)聚為一類，恒康牌香瓜子樣品單獨(dú)聚為一類，阿里山牌和來(lái)伊份牌香瓜子樣品聚為一類，天喔牌和口水娃牌香瓜子樣品聚為一類。本實(shí)驗(yàn)表明，采用香瓜子揮發(fā)性成分的聚類分析，可以用于不同品牌香瓜子風(fēng)味物質(zhì)的表征和識(shí)別。

圖1 洽洽香瓜子和其它品牌香瓜子總離子流圖Fig.1 Total ion chromatograms of Qiaqia and the other brands of aroma sunflower seeds

圖2 不同品牌香瓜子揮發(fā)性成分分類Fig.2 The classification of the volatile components from different brands of aroma sunflower seeds

表2 洽洽與其它品牌香瓜子相關(guān)矩陣的特征值Table 2 Characteristic value of correlation matrix of Qiaqia and the other brands aroma sunflower seeds

圖2 不同品牌香瓜子聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram of cluster analysis of different brands aroma sunflower seeds

以14個(gè)樣品的第一主成分做橫坐標(biāo)，以第二主成分做縱坐標(biāo)，利用SPSS軟件做散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖3)，可以直觀、簡(jiǎn)便的顯示出G1-8香瓜子(即洽洽香瓜子)與其它品牌香瓜子不同，它們的品質(zhì)接近，在散點(diǎn)圖上聚在一起。

4 結(jié)論與討論

圖3 不同品牌香瓜子第1、2主成分散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter plot based on first and second primary components of different brands of aroma sunflower seeds

本文采用SDE法萃取并結(jié)合GC-MS聯(lián)用技術(shù)分離鑒定了洽洽香瓜子及不同品牌香瓜子的揮發(fā)性香氣成分，共分離鑒定出129種揮發(fā)性化合物，共包含了醛類、酚類、酮類、醚類、酯類、醇類、酸類、烯烴類和含硫含氮類化合物。不同品牌香瓜子由于加工工藝和添加香辛料種類的不同，葵瓜子中含有的揮發(fā)性化合物也不盡相同。洽洽、真心和口水娃香瓜子以酚類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比含量分別為:30.91%、47.47%和27.29%;阿里山和恒康以醛類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比為25.21%、39.84%;天喔、來(lái)伊份香瓜子以醚類和醛類化合物為主，相對(duì)峰面積百分比分別是24.63% ～34.40%、25.68%～17.23%。不同的揮發(fā)性香氣成分在一定程度上反映了不同品牌香瓜子獨(dú)特的香氣類型。

采用主成分聚類分析和散點(diǎn)圖方法，將洽洽香瓜子與其他品牌香瓜子區(qū)分開(kāi)，具有直觀、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，解決了依靠技術(shù)人員感官審評(píng)主觀區(qū)分判斷的主觀性。說(shuō)明將揮發(fā)性香氣組分結(jié)合主成分聚類分析的多元統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)香瓜子產(chǎn)品進(jìn)行分類更為科學(xué)合理，能反映出不同品牌煮制香瓜子添加香辛料種類和加工工藝的不同，各自表現(xiàn)出的香氣也各不相同。為香瓜子加工工藝的改進(jìn)和不同品牌香瓜子的區(qū)分提供一定的理論依據(jù)和參考價(jià)值。

表3 不同工藝洽洽香瓜子和不同品牌香瓜子揮發(fā)性香氣成分(n=3)Table 3 The volatility aroma components of different crafts of Qiaqia and the other brands aroma sunflower seeds(n=3)

續(xù)表3

續(xù)表3

續(xù)表3

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